基于机智云的一种智能水质检测仪设计方法（基于机智云的一种智能水质检测仪设计方案）

摘要： 针对传统水质检测仪器存在体积大、使用不方便、检测参数单一、无法实时监测和显示水质等问题，研制了一种便携式在线水质检测仪。设计的。设计采用STC8A8K64S4A12单片机作为控制器，配合温度采集模块、pH测量模块、TDS检测模块等完成水质温度、pH和TDS参数的检测；通过esp8266无线模块和手机App模块的设计应用，实现手持监测功能，结合C语言编程，最终实现了一款智能便携式水质检测仪。测试结果表明，该系统操作简单方便，精度良好，具有广阔的应用前景。

介绍

在日常生活中，对于普通人来说，这样的工作是不现实的。我国在多参数水质检测仪的技术开发和产品生产方面取得了良好成果，可自动检测pH、溶解氧、水温、浊度、电导率等5个参数。但价格较高，不适合民用生活中使用。 [6-7]。为了确保饮用水质量安全，不仅要对水源地水质进行检查，还要将水质检测工作落实到千家万户，真正确保饮用水安全。作为民用产品，便携、低价是产品的基本要求。满足这一要求的水质测试仪应该是体积小、成本低、方便实用。因此，本设计基于单片机技术，采用嵌入式AD转换模块实现模数转换，从而实现小型便携式智能水质检测仪。

1.系统硬件电路设计

本系统主要采用STC8A8K64S4A12单片机作为主控芯片。围绕单片机设计了电源模块、温度采集模块、pH值采集模块、TDS采集模块、WiFi通信模块、OLED显示模块等。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 主控制器选型

计划使用STC8系列微控制器。因为STC8系列MCU采用超高速8051内核，速度比现有8051快12倍[8-9]。无需外部晶振或外部复位电路，不仅减小了体积，而且大大方便了设计。内置15通道12位高精度ADC，速度高达800K。它对水质检测器中的模拟输出传感器具有良好的采集能力[10]。所有GPIO均支持4种模式，即高阻输入、开漏输出、强推挽输出和准双向口。它在数字信号采集和处理方面具有速度快、稳定性好的双重优势。因此，本设计选择型号为STC8A8K64S4A12的单片机作为主控芯片。

1.2 pH检测电路设计

pH检测模块的电路设计如图2所示。pH电极测量后产生的mV信号通过BNC接口输出。输出送入pH模块，通过电路对信号进行滤波和放大，将极小的mV电压信号放大到05V的电压。信号，放大后的信号通过J2端口输出到微控制器[11]。

图2 PH检测电路

其中，LM2 660M是开关电容转换器[12]，可以将输出电压稳定在1.5~5.5V范围内，这是电压信号的最佳状态。 CA3104AMZ运算放大器可以放大微弱的mV电压信号。它是将高压PMOS晶体管和高压双极晶体管的优点结合在一个芯片上的产品。它可以为电路提供特别高的输入阻抗和特别低的输入电流。同时，它还具有极高的效率。

输出信号的比率关系为59.16 mV/pH。 25时，0V微控制器接收到的pH值为7。pH探头输出的信号大小与温度成正比。液体温度越高，影响越大。 R6电阻的作用是温度补偿。从pH=7开始，集成放大器CA3104AMZ对接收到的探头信号进行放大，输出电压为正负100 mV/pH的信号。那么第二级反相偏置运算放大器TL081BCDG4的作用就是调整探头输出信号，使信号处于有效范围内，使输出信号始终与pH成正比。 D1为静电保护二极管和开机指示灯。 R5的作用是当温度补偿不足时，根据标准液手动调节输出大小。 pH值检测电路从J2端口输出的电压Vout为：

式中：Vin为pH电极的输出信号，即BNC端口电压信号，VD1为D1的平均稳定电压。

1.3TDS检测电路设计

本文的设计采用数字TDS水质传感器。电路原理如图3所示，集成了高精度放大电路、测温校准电路和低压线性稳压电路。温度一直是影响pH值测量的重要因素。 pH测量的准确性和长期稳定性主要由温度决定。因此，本设计在AD采集电路中设有预处理电路，具有低温漂、高稳定度等特点。精密特性。

使用LMV324 低偏置电流、低失调漂移信号放大器。 LMV324 四路低压轨到轨输出运算放大器专为低压运行而设计。它有4个通道，典型失调为5V，输入失调最大设置电流为250 000pA，共模抑制比为65dB。 TPS60400DBVR 电荷泵向放大器电路提供负输入电压，它可以直接将1.6 至5.5V 的输入电压转变成固定的负输出电压[13]。

由于它可以接受较宽的输入电压范围，因此一般只需要5或3.3V的预设电源。该设计由模块上的VCC 直接供电。 ME6206A30M3G是一款低压线性稳压芯片，具有高精度、低功耗的特点。它可以提供具有非常小的电压降的电流。它将输入电压5V降为3V，然后线性稳定地输出到放大电路。探头信号通过J1口流入，信号经过放大、整理后，从J2口输出到单片机。

2.系统软件程序设计

主程序部分采用顺序结构。程序启动后进行初始化，然后通过串口快速采集温度。温度返回后，数字数据采集模块pH模块和TDS模块开始检测，然后AD采样转换为模拟输入并校准。度变换对数据进行进一步处理。数据采集和处理完成后，将数据显示在OLED屏幕上，然后将数据暂时存储在数据发送寄存器中，并通过ESP8266模块WiFi信号发送到手机App。主程序流程如图4所示。

图3 TDS检测电路

图4 系统主流程

2.1 延时子程序设计

由于TDS和pH采样需要温度补偿，然后需要ADC采样和缩放转换，因此系统采集温度后需要一定的延迟等待TDS和pH的显示。因此设计了一个延时子程序来缓冲等待。这个流程。在24 MHz 频率的示波器上查看一条语句所需的时间约为0.8s。本设计首先设置0.8s的倍数为4s，然后使用函数将其增加到1ms，最终延迟为1s。系统上电后直接读取温度，延迟1s后读取ADC采样数据。

2.2OLED显示编程

本文的设计采用OLED显示屏，与单片机的接口采用I2C连接方式。设计程序时需要按照连接方式进行。程序开始执行后，首先对屏幕进行初始化，然后写入数据或命令。数据标志位表示为0，命令标志位表示为1。然后开始读取数据。数据读取后，必须设置如下显示参数：页面地址、显示位置列低列高地址、起始点坐标、显示模式等。显示完成后，关闭OLED，进入清屏功能。清屏完成后，屏幕会黑屏，就像未开机时一样。

2.3 无线通信设计

为了实现终极的智能水质检测，让人们可以在手机上实时了解日常用水的水质情况，采用无线通讯方式完成手机App在线监测。本设计采用专用的ESP8266模块来实现互联网与云端之间的数据传输[14-15]。机智云平台可以提供手机APP的设计。

首先，您需要在机智云开发者中心注册一个机智云开发者账号。注册完成后，选择一个个人项目来创建新产品，并填写一些基本信息。产品名称为“智能水质监测仪”，技术方案为WiFi/移动网络方案，保存后会生成项目的基本信息；其次，创建数据节点。考虑到主要检测水质的三个参数，本设计创建3个数据点，并设置3个节点名称为温度、pH和TDS；

再次，在手机上安装通用版机智云App。安装完成后，登录个人账户，从机智云官网下载ESP8266模组专用固件。数据节点创建后即可下载使用专用固件。固件下载完成后，使用串口调试器将WiFi模块连接到电脑，使用固件自带的下载程序刷新固件，加载机智云固件。加载完成后，WiFi就变成了基于机智云手册的无线透传模块；最后，设备与App通信时，需要先连接机智云服务器，等待服务器传回的数据。产品配置完成后，发送生成的PK码和密钥。服务器检测到产品后，系统可以传输温度、pH、TDS等信息。实现数据上传，上传完成后，连接网络的手机App即可读取数据。

3、硬件调试结果

为了验证上述设计的正确性和可行性，搭建了硬件调试平台。为了防止硬件损坏并方便测试，系统上电调试时将DS18B20、pH电极和TDS探头插入自来水溶液中。如图5(a)所示，水温、TDS和pH参数值分别为22.3、99和6.85。由此可见，日常生活中的自来水温度、TDS、pH值参数均在人们的健康范围内，符合标准。当水质的pH值改变时，重复测量。结果如图5(b)所示。水质参数分别为22.2、102、8.95。由于没有预热和冷却，水温基本没有变化，但水质的pH值发生明显变化，从而引起水质TDS的变化。

从显示结果可以看出，系统的测试结果准确；最后，为了实现手持监控，将WiFi模块连接到网络并与手机App同步显示。即手机连接系统WiFi后打开手机App。通信结果如图6所示。经过实际运行验证，本设计实现了硬件系统与手机APP之间测量结果的同步显示。与市场上现有的水质测试仪相比，该测试仪体积小，操作简单，成本低，迎合了当前用户趋势需求。通过手机APP实时查看检测结果，实现离线和在线同步监测，满足用户对智能水质检测仪的需求。

图5 系统测试

图6 移动应用程序

4。结论

本文介绍了一种便携式智能水质检测仪的设计。介绍了pH检测电路、TDS检测电路等主要硬件的结构和工作原理，以及软件编程中的核心子程序。最后，通过硬件平台的测试，验证了该探测器具有体积小、成本低、便携、实时显示等多种功能，从实时应用的角度出发，方便了人们对实时性的需求。在线检测水质状况，具有广阔的市场应用前景。